JP4392497B2

JP4392497B2 - 超音波干渉縞を用いた形状解析方法

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Publication number: JP4392497B2
Application number: JP2004209468A
Authority: JP
Inventors: 寛加藤
Original assignee: Saitama University NUC
Current assignee: Saitama University NUC
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2024-07-16
Also published as: WO2006009036A1; JP2006029991A

Description

本発明は、超音波を利用して物体の表面や背面の形状、あるいは、物体内部の空隙などの形状を解析する方法に関し、特に、これらの形状を立体的に把握できるようにしたものである。

超音波は、物質によって散乱、反射、吸収等の変化を受けるため、物質に向けて発射した超音波の反射波を解析することにより、物質内部の空隙や異なる相の境界を知ることができる。超音波顕微鏡は、超音波を利用して被検体の非破壊検査を行う装置であり、被検体を水やアルコールなどの液体中に浸し、超音波探触子を走査して被検体の界面の画像を表示・撮影することができる。

図１３は、従来の超音波顕微鏡の構成を概略的に示している。超音波探触子１０は、電気信号を超音波信号に変換し、また、その逆変換を行う超音波トランスデューサ１１と、水２０の中の被検体２１に焦点を合わせて超音波を発射し、被検体２１での反射波を受信する超音波音響レンズ１２とで構成され、超音波顕微鏡は、この超音波探触子１０に電気信号を供給する送信部３１と、超音波探触子１０から受信信号を受け取る受信部３３と、送信部３１から送られた送信信号を超音波探触子１０に送り、超音波探触子１０から送られた受信信号を受信部３３に送る方向性結合部３２と、受信信号の波形を表示するオシロスコープ３４と、受信信号のピーク値を検出するピーク検出部３５と、このピーク値をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３６と、入力データから音響画像データを生成し、また、超音波探触子１０の走査位置を指定するコンピュータ４０と、音響画像を表示するディスプレー４１と、超音波探触子１０を走査する走査部３８と、コンピュータ４０の指示に従って走査部３８の走査を制御する制御部３９とを備えている。

送信部３１からは、一般的に１００ＭＨｚ〜数ＧＨｚの送信信号がパルス状に出力され、超音波探触子１０は、送信信号を超音波信号に変換して被検体２１に向けて発射する。超音波は、水中２０を通過して被検体２１に達し、図１４に示すように、音響インピーダンス（材料自身の密度とその中を伝播する超音波の音速との積）に差がある箇所で反射する。超音波探触子１０は、この反射波が入射すると、それを電気信号に変換して受信部３３に出力する。
図１５は、オシロスコープ３４に表示された受信信号を例示している。
この受信信号のピーク値がピーク検出部３５で検出され、Ａ／Ｄ変換部３６でデジタル信号に変換されてコンピュータ４０に取り込まれる。コンピュータ４０は、観察したい界面からの反射波の振幅値を選択し、その値を超音波探触子１０の走査位置に対応付けてマッピングし、ディスプレー４１に音響画像を表示する。

また、物質の解析に超音波を利用する装置としては、下記特許文献１に記載された超音波干渉計が知られている。
この装置は、超音波の干渉を利用して薄膜材料の厚さを測定するものであり、図１６に示すように、超音波放射源１０８から放射された超音波の一部を反射し、残部を透過する分割器１１６と、分割器１１６で反射された超音波を分割器１１６の側に戻すように反射する反射器１１８と、分割器１１６を透過した超音波が入射する位置に薄膜サンプル１３４を配置した基板１３２と、反射器１１８で反射された超音波と薄膜サンプル１３４の界面で反射された超音波との干渉で生じる干渉縞を検出する検出器１２０とを備えている。
薄膜サンプル１３４と基板１３２との間には、非常に狭いガス隙間が設けられており、超音波放射源１０８から放射されて分割器１１６を透過した超音波は、薄膜サンプル１３４の表面で一部が反射され、残部が薄膜サンプル１３４中を伝播し、薄膜サンプル１３４とガス隙間との界面で全反射される。これらの薄膜サンプル１３４での反射波は、最終的に分割器１１６で反射されて検出器１２０に導かれる。

また、超音波放射源１０８から放射されて分割器１１６で反射された超音波は、反射器１１８で反射された後、分割器１１６を透過して検出器１２０に入力する。
薄膜サンプル１３４の厚さは、薄膜サンプル１３４の表面で反射した超音波と反射器１１８で反射した超音波とが所望の干渉縞を発生するように反射器１１８の位置を調節し、次に、薄膜サンプル１３４の背面で反射した超音波と反射器１１８で反射した超音波とが所望の干渉縞を発生するまで反射器１１８の位置を調節し、この調節の間に検出器１２０の視野を横切る干渉縞の数を計数することにより決定される。
特開平７−４９４５号公報

しかし、超音波の干渉を利用する前記特許文献１に記載されている装置では、通常の光干渉と同様に、超音波を２方向に分離して参照波を形成し、この参照波と物体からの透過・反射波との干渉を生じさせているため、その構成が複雑であり、また、計測時の調整に手間が掛かるという問題点がある。

本発明は、こうした従来の問題点を解決するものであり、参照波を用いずに生成した超音波の干渉縞を利用して、物体の表面や背面、あるいは、物体内部の空隙などの形状を解析する方法を提供することを目的としている。

本発明の形状解析方法は、超音波を発射し、前記超音波の反射波を受信して当該反射波から電気信号を生成する超音波探触子の対向位置に被検体を配置する第１のステップと、前記超音波探触子から発射される超音波の集束位置を前記被検体の観察面から僅かな距離だけ離れた位置に設定する第２のステップと、前記超音波探触子を前記被検体に対して相対的に動かし、超音波を発射している前記超音波探触子により前記被検体の上を走査する第３のステップと、前記超音波探触子により、前記被検体から反射した超音波の反射波に応じた電気信号を生成する第４のステップと、前記超音波探触子の走査位置と当該超音波探触子が生成した前記電気信号の振幅の値とを対応付けて、前記被検体の観察面の等高線を表す超音波干渉縞が現れている音響画像を生成する第５のステップと、前記音響画像から前記超音波干渉縞の数または間隔を測定して前記被検体の観察面の形状を解析する第６のステップと、を有し、超音波を発信した超音波探触子に残存する残存振動と、被検体から反射した超音波が到達して発生する前記超音波探触子の振動とが干渉して得られる前記超音波干渉縞を用いて被検体の形状を解析することを特徴としている。
そのため、被検体の観察面の形状を立体的に把握することができ、観察面の形状の解析を的確に実施できる。

また、本発明の形状解析方法では、被検体の背面形状の等高線や、被検体の内部に存在する空隙の表面形状の等高線、あるいは、被検体の内部に存在する異なる相の間の界面形状における等高線を表す超音波干渉縞が現れた音響画像を表示して、被検体の背面形状や内部に存在する空隙の表面形状、あるいは、異なる相の間の界面形状を解析する。
また、本発明の形状解析方法では、被検体を傾け、そのときの超音波干渉縞の間隔の変化から、観察面の形状における高低の方向性を識別する。

本発明の形状解析方法では、被検体の形状の解析に超音波干渉縞を利用しているが、参照波を形成すること無く、超音波干渉縞を得ているため、複雑な装置や複雑な調整手順を必要とせず、容易に実施できる。
また、本発明の形状解析方法では、超音波が直接当たる被検体の表面だけでなく、被検体の背面形状や、被検体内部の空隙形状、異相間の界面形状などを非破壊で解析することができる。

本発明の実施形態における形状解析方法では、物体の表面形状、背面形状、物体内部に存在する空隙の表面形状、異種材料の境界の形状などの音響画像に、超音波の干渉縞で表される等高線を加えて表示し、また、この等高線を数えて物体の形状などを計測する。
超音波顕微鏡を用いて材料内部の組織を低倍で観察する際に縞状のノイズがよく観察される。本発明では、この縞に着目し、この縞が超音波の干渉縞であり、物体の形状の等高線を示していることを検証した。従って、物体形状を表す音響画像に、この超音波干渉縞を描くことにより、物体形状の立体的な表示が可能になり、また、干渉縞を計数して物体形状を定量的に求めることができる。

図１は、この方法に用いた装置の構成を示している。この装置は、超音波顕微鏡の被検体２１を水中２０で僅かに傾ける傾斜手段２２を備えている。その他の構成は従来の超音波顕微鏡（図１３）と変わりがない。
図２は、図１の超音波顕微鏡で被検体２１の音響画像を撮影したときの被検体２１と超音波探触子１０との関係を模式的に示している。
被検体２１には、表面の平行度２．９〜３．８ｎｍ／ｍ、表面粗さＲａ＝１．５７ｎｍのオプティカルフラットな表面を有するガラス円板（直径：１０５．３５ｍｍ，厚さ：１８．５ｍｍ）を用いた。また、音響画像の撮影に際して、周波数５０ＭＨｚの超音波探触子１０（水中集束距離：１２ｍｍ）を用い、被検体２１の９．９ｍｍ×９．９ｍｍ、ないしは３０ｍｍ×３０ｍｍの範囲を走査して撮影した。
また、超音波探触子１２の超音波の集束位置を被検体２１の表面位置よりも深く設定している。この集束位置は、超音波探触子１２を被検体２１に近づけたり遠ざけたりして調整している。
超音波を発射した超音波探触子１２は、被検体２１の反射波が入射すると、それを電気信号に変換して受信部３３に出力し、この受信信号のピーク値がピーク検出部３５で検出され、Ａ／Ｄ変換部３６でデジタル信号に変換されてコンピュータ４０に取り込まれる。コンピュータ４０は、観察したい反射波の振幅値を選択し、その値を超音波探触子１０の走査位置に対応付けてマッピングし、ディスプレー４１に音響画像を表示する。
なお、この集束位置を被検体２１の表面位置に設定した場合は、音響画像に縞模様が表れない。

図３は、この装置で被検体２１の音響画像を撮影したときに現れる縞模様が被検体２１の等高線であることを検証するために、凹凸の無い被検体２１を傾斜手段２２で傾斜させて被検体２１の表面に高低差を生じさせ、その表面を撮影したときの音響画像を示している。
図３（ａ）は、傾斜手段２２の高さが０（被検体２０の傾き０°）の場合の音響画像であり、図３（ｂ）は、傾斜手段２２の高さが０．７５ｍｍ（被検体２０の傾き０．４°）の場合、また、図３（ｃ）は、傾斜手段２２の高さが１．５０ｍｍ（被検体２０の傾き０．８°）の場合の音響画像である。
図３（ｂ）及び（ｃ）の音響画像に現れた１縞間隔当たりの被検体２１の高低差は共に１３．８μｍである。これは水中を伝播する超音波の波長（２９．６μｍ）のほぼ半分に相当している。この縞の本数は、超音波の集束位置及び被検体２１の観察位置を変えても一定であり（縞のコントラストには違いが生じる）、縞間隔は超音波の集束位置及び観察位置に影響されない。ただし、前述するように、超音波を被検体２１の表面に集束させ、被検体２１の表面位置の音響画像を撮影した場合には縞が現れない。

また、図４は、傾斜手段２２の高さを０．７５ｍｍ（被検体２０の傾き０．４°）に固定し、超音波の周波数を２０ＭＨｚ及び５０ＭＨｚのそれぞれに設定したときの音響画像に表れる縞模様を示している。周波数が５０ＭＨｚから２０ＭＨｚに減少すると、縞間隔は２．２５倍に拡大する。この結果から、縞間隔は超音波の周波数の逆数、すなわち波長に比例して増加することが分かる。

次に、凹凸を形成した被検体２１の音響画像に、その凹凸の等高線を示す縞模様が現れることを検証する。
ここでは、被検体２１に純アルミニウム角柱を用い、この被検体２１に凹凸を形成するため、図５（ａ）に示す３点曲げ試験装置を使用した。純アルミニウム角柱には、図５（ｂ）に示すように、半径が２．５ｍｍ、３．５ｍｍ及び５ｍｍの切り欠きを予め形成する。次いで、この角柱を図５（ａ）の３点曲げ試験装置に装着し、角柱の切り欠き側の両端を支えた状態で、切り欠きの背後から力を加え、被検体２１を変形する。この処理で角柱の切り欠きの底部に凹凸が発生する。
被検体２１に発生した凹凸は、モアレ法を用いて確認している。モアレ法では、図６に示すように、測定物の直前に置いた回折格子を点光源で照明する。そうすると、測定物上に回折格子の影ができ、この影と回折格子との間でモアレ縞が生成される。このモアレ縞を観察位置のカメラで観察すると、測定物表面の凹凸形状に対応した等高線状の縞模様が得られる。

図７（ａ）は、半径が２．５ｍｍ、３．５ｍｍ及び５ｍｍの切り欠きを持つ各被検体２１の切り欠き近傍（図５（ｂ）の四角で囲んだ範囲）をモアレ法により撮影した画像である。ここでは、白色ダイオードを光源とし、回折格子に格子間隔２０ｌｐ／ｍｍのロンキー・ルーリングを用い、光源と観察点（カメラ）とを１３５ｍｍ離し、回折格子の表面から１３５ｍｍの高さにカメラを設置してモアレ縞を観察している。各被検体２１の切り欠きの底部には、被検体２１の凹凸を示すモアレ縞が現れている。このモアレ縞間隔は高低差５０μｍに相当している。
一方、図７（ｂ）は、各被検体２１の同一範囲を図１の超音波顕微鏡で撮影した音響画像であり、この音響画像と図７（ａ）のモアレ画像とを比較すると、モアレ縞の分布する位置に、音響画像では縞模様が現れていることが分かる。
このように、音響画像中に生じる縞は、被検体２１の等高線を示しており、１つの縞間隔当たりの高低差は一定している。

この縞模様が音響画像中に生じる理由については、今のところ明確ではないが、次のように推測できる。
超音波探触子１０には、超音波を発信したときの振動が減衰した状態で残存しており（図１５の左側の微小信号部分）、そこに被検体２１からの反射波による振動が重なることになる。被検体２１に高低差が存在する場合は、反射波の発生するタイミングが、反射位置の被検体２１の高さによって異なる。従って、超音波探触子１０には、発生タイミングが連続的に変化した反射波が到達することになる。そのため、この反射波と超音波発振信号の残存振動とが干渉し、被検体２１の等高線を示す縞模様が現れると見られる。

また、この形状解析方法では、超音波を被検体２１の背面近くに集束させて、被検体２１の背面形状の凹凸を等高線で表示することができる。
図８は、この場合の被検体２１と超音波探触子１０との関係を模式的に示している。被検体２１には、厚さ２ｍｍの純銅板から幅約２０ｍｍ、長さ約１００ｍｍの長方形試片を切り出し、その一端に、端面でほぼ０．５ｍｍ薄くなるように、わずかな傾斜を与えたものを用いている。超音波探触子１０からは、この被検体２１の傾斜を施していない側の平坦な表面に５０ＭＨｚの超音波を照射している。

図９には、この状態で超音波探触子１０の超音波集束位置を種々に変えて撮影した音響画像及び同一位置で撮影したモアレ縞画像を示している。図９（ａ）は、被検体２１の平坦な表面から０．５ｍｍの深さに超音波集束位置を設定したときの音響画像であり、図９（ｂ）は同表面から１．０ｍｍの深さに、また、図９（ｃ）は同表面から２．０ｍｍの深さに超音波集束位置を設定したときの音響画像である。一方、図９（ｄ）は、この銅板を裏返し、傾斜を施した面を上に向けてモアレ法で撮影した画像を左右反転して示している。音響画像には、モアレ縞に一致する縞模様が現れており、被検体２１の背面形状の等高線が表示されている。

また、図１０は、同一の長方形試片の中央部に０．５ｍｍ程度の深さの窪みを形成したものを被検体２１とし、超音波探触子１０から被検体２１の平坦な表面に５０ＭＨｚの超音波を照射して音響画像を撮影した場合を示している。図１１（ａ）は、被検体２１の平坦な表面から０．５ｍｍの深さに超音波集束位置を設定したときの音響画像であり、図１１（ｂ）は同表面から１．０ｍｍの深さに、また、図１１（ｃ）は同表面から２．０ｍｍの深さに超音波集束位置を設定したときの音響画像である。一方、図１１（ｄ）は、この銅板を裏返し、窪みを形成した面を上に向けてモアレ法で撮影した画像を左右反転して示している。音響画像には、モアレ縞に一致する縞模様が現れており、被検体２１の背面形状の等高線が表示されている。

ただ、図９及び図１１の音響画像では、被検体２１の背面に高低差が存在することは分かるが、どちらが高くて、どちらが低いのかは分からない。それを知るためには、図１の装置の傾斜手段２２を操作して、被検体２１を僅かに傾斜させ、そのときの縞の間隔の変化を観察する。
図１２に示すように、（ａ−１）及び（ｂ−１）の状態の被検体の音響画像には、斜面部分の縞模様が同じように現れるが、傾斜手段２２により、（ａ−１）の被検体を（ａ−２）の状態に傾斜させると、斜面部分の高低差が減少し、縞間隔は広がる。一方、（ｂ−１）の被検体を（ｂ−２）の状態に傾斜させると、斜面部分の高低差が増加し、縞間隔は狭くなる。従って、被検体を傾斜手段２２で傾斜させたときの縞間隔の変化を観察することにより、被検体における凹凸の状態を知ることができる。

ここでは、被検体の表面及び背面形状の等高線を表示する場合について説明したが、同様に、被検体内部に存在する空隙や亀裂の形状を等高線で表示したり、異種材料間の界面の形状を等高線で表示したりすることもできる。
また、ここでは、被検体を水中に浸して、その音響画像を撮影する場合について説明したが、本発明は、超音波探触子と被検体との間を、滴下した水などで満たして音響画像を撮影する方式や、超音波探触子と被検体との間に水袋を介在させる方式など、超音波探触子から超音波を発して音響画像を生成するすべての方式に対して適用が可能である。

本発明の形状解析方法は、超音波を利用して、素材や部品、あるいは、輸送機や化学プラントなどの大型装置を解析・評価する機器、また、生体内部を検査する機器など、超音波が使用されている各分野の機器に広く適用することができる。

本発明の実施形態における超音波顕微鏡の構成を示す図本発明の実施形態における超音波顕微鏡で傾斜ガラス板を撮影するときの状況を説明する図本発明の実施形態における超音波顕微鏡で傾斜ガラス板を撮影した音響画像を示す図本発明の実施形態における超音波顕微鏡で周波数を変えて傾斜ガラス板を撮影した音響画像を示す図本発明の実施形態での被検体への凹凸形成方法を説明する図本発明の実施形態において、比較に用いたモアレ法を説明する図本発明の実施形態における超音波顕微鏡で凹凸を形成した被検体を撮影した音響画像（ｂ）と、比較用のモアレ画像（ａ）とを示す図本発明の実施形態における超音波顕微鏡で被検体の斜面を設けた背面形状を表面から撮影するときの状況を説明する図本発明の実施形態における超音波顕微鏡で背面に斜面を持つ被検体を表面から撮影した音響画像及び比較用のモアレ画像を示す図本発明の実施形態における超音波顕微鏡で被検体の窪みを設けた背面形状を表面から撮影するときの状況を説明する図本発明の実施形態における超音波顕微鏡で背面に窪みを持つ被検体を表面から撮影した音響画像及び比較用のモアレ画像を示す図本発明の実施形態における形状解析方法で被検体の凹凸方向を識別する方法を説明する図従来の超音波顕微鏡の構成を示す図被検体での超音波の反射を説明する図オシログラフで表示した超音波顕微鏡の受信信号を示す図従来の超音波干渉計の構成を示す図

符号の説明

１０超音波探触子
１１超音波トランスデューサ
１２超音波音響レンズ
２０水
２１被検体
２２傾斜手段
３１送信部
３２方向性結合部
３３受信部
３４オシロスコープ
３５ピーク検出部
３６Ａ／Ｄ変換部
３８走査部
３９制御部
４０コンピュータ
４１ディスプレー
１０８超音波放射源
１１６分割器
１１８反射器
１２０検出器
１３２基板
１３４薄膜サンプル

Claims

超音波を用いて被検体の形状を解析する形状解析方法であって、
超音波を発射し、前記超音波の反射波を受信して当該反射波から電気信号を生成する超音波探触子の対向位置に被検体を配置する第１のステップと、
前記超音波探触子から発射される超音波の集束位置を前記被検体の観察面から僅かな距離だけ離れた位置に設定する第２のステップと、
前記超音波探触子を前記被検体に対して相対的に動かし、超音波を発射している前記超音波探触子により前記被検体の上を走査する第３のステップと、
前記超音波探触子により、前記被検体から反射した超音波の反射波に応じた電気信号を生成する第４のステップと、
前記超音波探触子の走査位置と当該超音波探触子が生成した前記電気信号の振幅の値とを対応付けて、前記被検体の観察面の等高線を表す超音波干渉縞が現れている音響画像を生成する第５のステップと、
前記音響画像から前記超音波干渉縞の数または間隔を測定して前記被検体の観察面の形状を解析する第６のステップと、
を有し、超音波を発信した超音波探触子に残存する残存振動と、被検体から反射した超音波が到達して発生する前記超音波探触子の振動とが干渉して得られる前記超音波干渉縞を用いて被検体の形状を解析することを特徴とする形状解析方法。
請求項１に記載の形状解析方法であって、前記超音波干渉縞が、前記被検体の背面形状の等高線を表している前記音響画像を生成し、前記超音波干渉縞の数または間隔を測定して前記被検体の背面の形状を解析することを特徴とする形状解析方法。
請求項１に記載の形状解析方法であって、前記超音波干渉縞が、前記被検体の内部に存在する空隙の表面形状の等高線を表している前記音響画像を生成し、前記超音波干渉縞の数または間隔を測定して前記空隙の表面形状を解析することを特徴とする形状解析方法。
請求項１に記載の形状解析方法であって、前記超音波干渉縞が、前記被検体の内部に存在する異相間の界面形状の等高線を表している前記音響画像を生成し、前記超音波干渉縞の数または間隔を測定して前記異相間の界面形状を解析することを特徴とする形状解析方法。
請求項１に記載の方法であって、さらに、前記被検体を傾けたときの前記超音波干渉縞の間隔の変化を測定するステップと、前記超音波干渉縞の間隔の変化から前記被検体の観察面における形状の傾斜の方向性を識別するステップとを有することを特徴とする形状解析方法。